Vào năm 2016 tới, một nhóm các kỹ sư và nhà thám hiểm sẽ đi đến khu vực sa mạc ở Nam Phi để chạy thử chiếc xe đua có khả năng đạt đến vận tốc 1.000 dặm/h (1.609 km/h). Chiếc xe đua này có tên là Bloodhound SSC và nó được thiết kế với mục đích phá vỡ kỷ lục đường đất thế giới hiện tại (ở mức 763 dặm/h tương đương 1.227,9 km/h) và trở thành chiếc xe đua nhanh nhất từng được chế tạo.
Điều đáng nói là mục tiêu đáng gờm như vậy không phải là mục đích chính của dự án, bởi phá vỡ kỷ lục vận tốc đường đất không phải là điều gì quá mới mẻ đối với nước Anh, vốn đã nắm giữ danh hiệu này được tổng cộng 79 lần trong 100 năm qua – và đã liên tục nắm giữ danh hiệu này trong vòng 32 năm, gần đây nhất là với chiếc siêu xe Thrust SSC do tay đua Andy Green cầm lái.
Cụ thể, Green cùng với Richard Noble, người nắm giữ kỷ lục lần trước và Nam tước Drayson, bộ trưởng bộ khoa học đã tuyên bố, mục tiêu của họ khi liên tục phá vỡ các kỷ lục này là nhằm truyền cảm hứng cho giới trẻ, những chủ nhân tương lai của đất nước. Họ hy vọng giới trẻ sẽ đầu tư công sức vào các lĩnh vực khoa học, công nghệ, kỹ thuật và toán học để con người có đủ sức mạnh đối mặt và giải quyết những vấn đề hóc búa trong tương lai.
Đương nhiên, mục đích của bài viết này là giới thiệu đến độc giả cách thức mà các nhà khoa học phá vỡ kỷ lục tốc độ trước đó. Vậy làm thế nào để thiết kế và chế tạo một chiếc xe chạy nhanh hơn hàng trăm dặm so với chiếc xe trước đó. Có ba điểm chính chúng ta cần phải xem xét: Liệu nó có đủ độ trơn? Liệu nó có đủ sức mạnh? Và liệu nó có đủ độ cứng cáp?
Vấn đề độ trơn trong khí động lực học
Chỉ bằng việc nhìn vào con diều đang bay trong gió, bất cứ ai cũng có thể hiểu được rằng có một nguồn sức mạnh to lớn trong luồng không khí bao quanh chúng ta. Và trong việc chế tạo xe, điều hiển nhiên mà tất cả chúng ta đều có thể nhìn thấy đó là: khi một vật thể di chuyển trong không khí, nó sẽ chịu một lực cản từ không khí, diện tích phần chóp mũi càng lớn bao nhiêu thì lực cản không khí cũng càng lớn bấy nhiêu.
Siêu xe Thrust SSC do tay đua Andy Green từng cầm lái sử dụng 2 động cơ phản lực để đẩy xe tiến về phía trước. Động cơ này hoạt động bằng cách hút không khí từ đằng trước, nén nó, đốt cháy nhiên liệu, và đẩy nó ra phía đằng sau để tạo lực đẩy. Mẫu thiết kế này yêu cầu phải có một vùng diện tích mặt trước lớn để động cơ phản lực có thể hút đủ lượng không khí cho động cơ.
Qua phân tích, các kĩ sư nhận ra rằng, với kiểu thiết kế này, chiếc xe sẽ không bao giờ có thể đạt đến vận tốc 1609 km/h. Lý do rất đơn giản: vùng diện tích mặt trước sẽ tạo ra rất nhiều lực cản, và với trình độ công nghệ hiện tại, chúng ta sẽ không thể xử lý được chuyện này. Thay vào đó, chúng ta cần một mẫu xe mới với vùng diện tích mặt trước nhỏ hơn; và điều này sẽ cần phải sử dụng đến một động cơ tên lửa (phần này sẽ được trình bày chi tiết sau).
Để kiểm tra tác động của không khí lên thân xe, một mô hình máy tính đã được xây dựng tại trường Đại học Swansea. Mô hình này sử dụng một hệ thống được gọi là Thủy động học Điện toán (computational fluid dynamics – CFD). Điều này sẽ cho phép các kĩ sư hiểu được cách mà chiếc xe tương tác với dòng không khí chuyển động qua thân xe ở các mức: vận tốc thấp (hạ âm), vận tốc âm thanh (cận âm), và vận tốc cao (siêu âm). Từ đó chúng ta có thể chọn ra thiết kế phù hợp nhất nhằm đảm bảo cho xe vận hành ổn định ở bất kì mức vận tốc nào.
Cung cấp năng lượng cho ‘quái xe’
Do yêu cầu của thiết kế mới là vùng diện tích mặt trước phải nhỏ nên chúng ta sẽ không thể lắp tới 2 động cơ phản lực. Giải pháp được đưa ra là chúng ta sẽ kết hợp động cơ phản lực đẩy với sức đẩy của tên lửa. Với thiết kế này, nguồn năng lượng của chiếc xe sẽ được sinh ra bằng cách đốt cháy một hỗn hợp nhiên liệu lỏng và khí oxy hóa lỏng hoặc một hỗn hợp nhiên liệu chất rắn và chất oxy hóa dễ phát nổ. Vấn đề khó ở đây là khí oxy hóa lỏng rất khó kiểm soát và phải được giữ ở mức nhiệt độ -182°C (mức nhiệt độ hóa lỏng). Còn nhiên liệu rắn (gỗ, than…) một khi được đốt cháy sẽ không thể dừng lại cho đến khi tất cả nhiên liệu được tiêu thụ toàn bộ. Một lần nữa chúng ta cần nghĩ ra một biện pháp thứ 3.
Chúng tôi đã lựa chọn sử dụng một tên lửa lai, vận hành dựa trên Hiđrô perôxit vô cùng tinh khiết (H₂O₂-hay còn gọi là nước ôxy già) trong vai trò chất ôxy hóa và HTPB – một thành phần trong lốp bánh xe cao su – trong vai trò nhiên liệu. Điều này cho thấy chúng ta có thể chặn đứng dòng chảy của chất ôxy hóa và ngăn chặn phản ứng gây nổ, từ đó tạo ra một tên lửa có thể được kiểm soát.
Nhưng điều này tạo lại tạo ra một vấn đề khác: làm cách nào để đưa chất gây ôxy hóa vào trong tên lửa. Với một giải pháp thích hợp cho kỷ lục vận tốc đường đất, chúng tôi đã sử dụng một động cơ xe hơi thể thao Jaguar có công suất mạnh để vận hành một máy bơm nhiên liệu có khả năng cung cấp 1.000 lít peroxit cho tên lửa trong vòng 20 giây. Ba động cơ này gộp lại là đủ để đẩy chiếc xe lên đến mức vận tốc 1.609 km/h.
Liên kết chắc chắn các bộ phận lại với nhau
Một mối quan tâm khác là tất cả các bộ phận của chiếc xe đều phải hứng chịu một áp lực cực lớn khi vận hành. Lấy ví dụ, mặt ngoài của bánh xe quay rất nhanh đến nỗi chúng có thể tạo ra một lực gấp 50.000 lần trọng lực của Trái Đất. Điều này có nghĩa mỗi gram chất liệu có một khối lượng hiệu dụng lên đến 50 kg. Tương tự, trục lái bơm nhiên liệu cũng phải mang theo một mô-men lực đáng kể khi dịch chuyển một lượng chất lỏng, và điều này sẽ làm hao mòn rất nhiều bộ phận xe.
Để khắc phục những khó khăn này, các kỹ sư đã rèn bánh xe từ một khối nhôm cao cấp đơn nhất. Điều này nhằm đảm bảo tất cả các hạt kim loại cấu thành nên khối nhôm đều đồng nhất, từ đó giảm thiểu nguy cơ xuất hiện hỏng hóc hay đứt gãy. Còn thân xe được sản xuất từ sợi cacbon để đảm bảo một cấu trúc nhẹ nhưng cực kỳ bền chắc. Cuối cùng, trục lái bơm nhiên liệu được sản xuất từ Custom 465, một loại chất liệu trơ hóa học nhưng đủ mạnh để làm quay máy bơm. Sau đó chúng tôi đã thử nghiệm kỹ lưỡng từng bộ phận nhằm đảm bảo mọi thứ đều ‘ok’ khi chịu nhận một lực lớn trong quá trình phá vỡ kỉ lục.
Tất cả những vấn đề nêu trên cho thấy, việc thiết kế và chế tạo một chiếc xe đua giống Bloodhound đòi hỏi một lượng kiến thức chuyên môn lớn đến mức nào. Từ những nhà hóa học phát triển các chất liệu cho đến những kỹ sư sản xuất các bộ phận và lắp ráp chúng thành một hệ thống vận hành đơn nhất, việc phá vỡ kỷ lục vận tốc đường đất là một dự án phối hợp bao gồm rất nhiều người thay vì chỉ người tài xế.
Khi chiếc xe thử sức với mục tiêu phá vỡ kỷ lục hiện tại vào năm 2016, có lẽ những người đã góp phần chế tạo nên chiếc xe này đều sẽ cảm thấy như thể đang ngồi cùng buồng lái ông Green.
Tác giả: Phil Spiers, Đại học Sheffeld
Đăng tải với sự cho phép từ The Conversation. Đọc bản gốc ở đây.
Quý Khải biên dịch
Xem thêm: